CC BY
17Интенсификация работы технологической схемы обезжелезивания воды из скважин водозаборного узла железнодорожной станции
со см о см
!Л
О Ш
т
X
<
т О X X
Волосникова Галина Александровна
канд. техн. наук, доц., доцент кафедры экологии, ресурсопользования и безопасности жизнедеятельности, Тихоокеанский государственный университет, [email protected]
Марширов Денис Витальевич
студент кафедры экологии, ресурсопользования и безопасности жизнедеятельности, Тихоокеанский государственный университет, [email protected]
Приведены результаты анализа состава подземных вод, используемых для водоснабжения котельной железнодорожной станции. Изучены технологический процесс водоподготовки и требования к качеству подпиточной воды для водогрейных котлов. Содержание железа в очищенной воде не соответствует нормативным требованиям, что свидетельствует о недостаточной эффективности применяемой технологической схемы очистки. Проанализированы современные методы и технологии обезжелезивания подземных вод. Проведено инженерно-экологическое обоснование выбора предлагаемой технологической схемы очистки с использованием системного подхода, разработанного отечественными авторами на основе классификации специальных методов обработки воды. Для модернизации водопроводных очистных сооружений предлагается включение в существующую технологическую схему перед фильтром обезжелезивания блока реагент-ной очистки от растворенного железа. Предложено компоновочное решение станции очистки природных вод из подземного источника. Выполнен расчет оборудования, входящего в состав усовершенствованной технологической схемы. Приведение качества воды источника водоснабжения по содержанию железа в соответствие с нормативными требованиями повлечет улучшение работы оборудования котельной и уменьшение степени его износа. Внедрение предлагаемых мероприятий позволит предприятию избежать наложения штрафных санкций со стороны надзорных государственных органов. Ключевые слова: подземные воды, водозаборный узел, водоподго-товка, очистные сооружения, предельно-допустимая концентрация, обезжелезивание, технологическая схема, аэрация, фильтрование, ионный обмен, реагенты, эффективность очистки.
Введение и постановка проблемы. Обеспечение населенных пунктов, предприятий и организаций водой надлежащего качества является одной из приоритетных проблем, решение которой необходимо для сохранения здоровья и улучшения условий жизнедеятельности населения, а также нормального функционирования производственного оборудования. Использование подземных вод, как правило, является более предпочтительным для организации систем водоснабжения по причине их высокого качества. Вода из подземных источников применяется в водоснабжении котельных, в системах трубчатых охладителей, пожаротушения и отопления.
Поскольку воду приходится забирать из источников различной степени загрязненности, требования к качеству ее очистки существенно различаются. Естественные геохимические процессы изменения состава подземных вод за длительный геологический период привели к формированию на территории Дальнего Востока региональной гидрогеохимической провинции с повышенным содержанием растворенных соединений железа и марганца. Поскольку данные виды загрязнений относятся к токсичным соединениям, их содержание в питьевой воде, согласно принятым санитарным нормам, не должно превышать 0,3 мг/л для железа и 0,1 мг/л для марганца [1]. Требования многих производств (пищевых, энергетических, электронной техники) значительно жестче.
Анализ качественного состава подземных вод в различных регионах и многолетнего опыта эксплуатации сооружений во-доподготовки показал, что доминирующим загрязнителем, определяющим выбор технологической схемы очистки воды, является железо, как правило, в двухвалентной форме, содержание которого практически повсеместно превышает нормативные требования. В теплоэнергетическом оборудовании (котлы паровые и водогрейные, теплообменники) повышенное содержание железа в воде приводит к образованию накипных отложений на поверхностях нагрева, что ведет к уменьшению диаметров труб, снижению теплоотдачи, росту энергопотребления. Поэтому обезжелезивание природных вод является важнейшей и наиболее распространенной операцией водо-подготовки.
Система подготовки воды в котельных представляет собой обязательный и технологически сложный процесс, необходимый для нормального функционирования оборудования. Основная цель очистки воды - предотвращение образования накипи и появления коррозии на внутренних поверхностях трубопроводов, котлов, соединительных узлов. Качественно выполненная водоочистка обеспечивает безаварийную работу отопительного оборудования, продляет срок его эксплуатации, снижает расходы на электроэнергию. Для водогрейных котлов качество подпиточной воды должно удовлетворять следующим требованиям: карбонатная жесткость не более 700 мкг-экв/кг, содержание растворенного кислорода - 50 мкг/кг, соединений железа - менее 0,3 мг/дм3, присутствие свободной двуокиси углерода не допускается, значение показателя рН должно быть не менее 7 [2].
Рассматриваемая проблема является весьма актуальной для Дальневосточной Дирекции по тепловодоснабжению
(структурного подразделения Центральной Дирекции по теп-ловодоснабжению - филиала ОАО «РЖД»), осуществляющей эксплуатацию водозаборного узла железнодорожной станции Тырма, расположенной в поселке Тырма Верхнебуреинского района Хабаровского края. Основным видом деятельности предприятия является снабжение питьевой и технической водой, распределение пара и горячей воды (тепловой энергии) между железнодорожными потребителями. В котельной железнодорожной станции установлены водогрейные котлы марки ZOTA «MAGNA». Для подпитки котлов служит очищенная подземная вода из скважины.
Таблица 1
Физико-химический состав подземной воды из скважины
Показа- Единицы Значение ПДК
тель измерения 2017 г. 2018 г. 2019 г. 2020 г. 2021 г.
Водо- ед. рН 6,49 6,50 6,32 6,33 6,55 6-9
родный
показа-
тель
Запах баллы 2 2 2 2 2 2
при 20 °С
Запах баллы 2 2 2 2 2 2
при 60 °С
Алюми- мг/дм3 <0,04 <0,04 <0,04 <0,04 <0,04 0,5
ний
Мут- мг/дм3 1,72 1,86 1,56 1,66 1,53 1,5
ность
Цвет- град 80 82 81 88 80 20
ность
Сухой мг/дм3 144,5 138,6 132,4 133,1 135,0 1000
остаток
Щелоч- мг-экв/дм3 3,10 2,98 2,90 2,89 2,86 -
ность
Жест- ммоль/дм3 2,47 2,38 2,48 2,33 2,39 7,0
кость об-
щая
Кальций мг/дм3 29,70 14,30 14,9 14,00 14,33 -
Магний мг/дм3 12,01 5,78 5,95 5,41 5,81 -
Железо мг/дм3 11,39 12,42 10,56 13,44 10,31 0,3
Хлориды мг/дм3 9,66 8,88 9,0 9,55 9,38 350
Нитриты мг/дм3 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 3,3
Нитраты мг/дм3 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 45
Аммиак мг/дм3 0,10 0,10 0,10 0,11 0,12 2,0
Сульфаты мг/дм3 2,0 2,3 2,2 2,0 2,1 500
Окисляе- мг/дм3 1,21 1,44 1,22 1,33 1,22 5,0
мость
Медь мг/дм3 0,06 0,08 0,011 0,010 0,008 1,0
Марга- мг/дм3 0,26 0,24 0,33 0,28 0,25 0,1
нец
Нефте- мг/дм3 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,1
про-
дукты
Фенолы мг/дм3 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 0,001
АПАВ мг/дм3 <0,025 <0,025 <0,025 <0,025 <0,025 0,5
Для выбора эффективной и экономичной технологии водо-подготовки необходим учет тесных взаимосвязей между отдельными показателями состава природных вод. На основании результатов химических анализов, выполненных в ходе ведения мониторинга качества подземных вод исследуемого района (табл. 1), установлено, что по геохимическому типу их можно отнести к пресным (минерализация - 104,33 мг/дм3), мягким (1,0 оЖ), с сухим остатком 40-70 мг/л (до 100 мг/л). Содержание аммиака не превышает 0,1-0,2 мг/л. Воды имеют преимущественно слабокислую реакцию (рН 5,8-6,5), иногда нейтральную (рН 6,8-7). Признаки техногенного загрязнения водоносного горизонта отсутствуют. Концентрации хлоридов и сульфатов, органических соединений (фенолов, нефтепродуктов, ПАВ) значительно ниже соответствующих предельно-допустимых концентраций (ПДК). Содержание неорганических
соединений азота (нитритов, нитратов, аммония) также не превышает ПДК. При этом по содержанию железа общего исходная вода, забираемая из скважины, не соответствует требованиям СанПиН 1.2.3685-21 [1] и РД 24.031.120-91 [2]. Интервал изменения концентраций железа в пробах, отобранных в период с 2017 по 2021 гг., составляет 10,31-13,44 мг/дм3, что существенно превышает величину гигиенического и технологического нормативов. Содержание марганца в пробах за рассматриваемый период находилось в пределах 0,25-0,33 мг/дм3, что также превышает гигиенический норматив.
Как было показано ранее в работе [3], аналогичная проблема возникает у Дальневосточной Дирекции по тепловодо-снабжению при эксплуатации водозаборного узла железнодорожной станции Селихин, расположенной в п. Селихино Комсомольского района и относящейся к Комсомольскому отделению Дальневосточной железной дороги. Результаты анализов проб воды из скважины показали, что в весенний и осенний периоды вода периодически не соответствует гигиеническим требованиям по содержанию железа (максимальное значение концентрации в пробах достигает 0,51 мг/дм3).
Для доведения показателей качества природных вод до технологических нормативов, характеризующих подпиточную воду водогрейных котлов, на территории железнодорожной станции Тырма предусмотрены водопроводные очистные сооружения, работающие по технологической схеме: аэрация-дегазация - фильтрование - ионный обмен. Метод удаления железа из воды упрощенной аэрацией с последующим фильтрованием применяется на большинстве станций обезжелези-вания Дальнего Востока. Однако его использование затруднено при повышенных концентрациях железа в исходной воде, при низких щелочности и рН воды, а также в случае одновременного присутствия ионов двухвалентного марганца. Недостатки схемы особенно проявляются при высоком (5 мг/л и более) содержании железа в воде [4]. В связи с этим имеется несколько модификаций технологии обезжелезивания с упрощенной аэрацией. Одна из них сводится к укрупнению зерен загрузки с одновременным увеличением ее высоты, что и было учтено при разработке технологической схемы.
Исходная вода из скважины поступает на станцию аэрации, в которой происходит окисление закисных форм железа кислородом, здесь же удаляется основная масса свободной двуокиси углерода. Аэрационная колонна играет роль контактной камеры, в которой происходит интенсивное окисление примесей воды (прежде всего железа), отделение и удаление лишнего воздуха. Воздух подается непосредственно в аэраци-онную колонну, вода поступает по присоединенному к распределительной шайбе трубопроводу и вводится внутрь колонны. В толще водяного слоя происходит барботирование воды всплывающими пузырьками воздуха, за счет чего достигается окисление двухвалентного железа до трехвалентного и происходит удаление из воды некоторых газов (сероводород, углекислый газ). Накапливающийся в верхней части колонны воздух движется по воздухозаборному коллектору и затем удаляется через воздушный клапан. Вода выводится из колонны по коллектору, опущенному до дна колонны, и далее по трубопроводу.
Поскольку содержание железа в исходной воде превышает 10 мг/л, в качестве первой ступени очистки на станции обезже-лезивания применяется фильтр, загруженный крупнозернистым гранодиоритом фракции 5-10 мм, что позволяет вследствие более развитой поверхности зерен и большей пористости материала на 10-15 % увеличить скорость фильтрования в сравнении с песчаной загрузкой. Завершает процесс очистки ионообменный многоцелевой фильтр «Гейзер» серии Aquachief с ионообменной фильтрующей загрузкой. В зависи-
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
CJ
fO CS
о
CS
in
О Ш
m
X
<
m О X X
мости от состава исходной воды в фильтрах данной серии используется четыре типа фильтрующей загрузки «Ecotar», отличающихся соотношением компонентов. В данном случае используется мультикомпонентная фильтрующая загрузка марки Ecotar B, созданная путем ротационного смешивания различных ионообменных и сорбционных материалов. В состав загрузки входят катионнообменные смолы разного гранулометрического состава, крупнопористая анионообменная смола, специальная инертная смола и дополнительная кварцевая подложка. Назначение фильтрующей среды - очистка воды от растворенного железа, марганца и солей жесткости при незначительном содержании органических веществ. Восстановление емкости ионообменной загрузки Ecotar производится путем обратной промывки исходной водой и промывки раствором поваренной соли (NaCl). Очищенная вода отводится в резервуар.
Результаты лабораторного анализа показали, что в пробах очищенной воды, отобранных в период с 2017 по 2021 гг., содержание железа колебалось в пределах 1,8-3,42 мг/дм3. Это не соответствует нормативным требованиям и свидетельствует о недостаточной эффективности применяемой технологической схемы. Главным условием применения ионообменных смол является содержание в исходной воде железа не более 2 мг/л. Растворенное двухвалентное железо уменьшает эффективность ионного обмена, ионы железа загрязняют ионообменные смолы, и этап доочистки становится неэффективным. Железо проникает внутрь гранул фильтрующего материала и накапливается в нем, вследствие чего загрузка теряет фильтрующие свойства, не восстанавливаемые обычной регенерацией. Поэтому при проведении большинства ионообменных процессов предшествующей стадией обработки воды является более эффективное удаление железа [5].
Ввиду отсутствия альтернативных источников водоснабжения объектов железнодорожной станции для уменьшения риска образования коррозии и накипных отложений на поверхности нагрева и увеличения срока службы водогрейных котлов необходима разработка мероприятий по интенсификации работы технологической схемы обезжелезивания воды из скважины.
Обзор ранее выполненных исследований. Очистка воды от соединений железа представляет довольно сложную инженерную задачу, требующую комплексного решения. Это, в первую очередь, связано с многообразием соединений железа в природной воде. Различие качественного состава подземных вод на территории различных регионов России предопределяет многообразие технологических решений, используемых для доведения качества воды до питьевого стандарта, сложность применяемых технологий и соответственно стоимость водоочистного оборудования [6]. Выбор того или иного метода обработки природной воды, содержащей соединения железа, зависит от их количества и формы существования, качественного состава воды и производительности очистных сооружений [7]. В настоящее время отсутствует надежная методика выбора технологии очистки железосодержащих вод по результатам их анализа, поэтому определиться с выбором состава и параметров работы водоочистных сооружений можно только путем технологического моделирования и учета опыта действующих сооружений [4].
Для поиска вариантов интенсификации работы существующих очистных сооружений выполнен анализ современных методов улучшения качества воды из подземных источников. Приведенные в литературе методы обезжелезивания классифицируют на безреагентные, реагентные, физико-химические, биохимические. Очистка включает ряд физико-химических процессов и сводится, прежде всего, к переводу соединений
железа в нерастворимые или слаборастворимые формы с последующим извлечением их из воды.
К числу традиционных безреагентных методов удаления железа из воды относят глубокую аэрацию с последующим отстаиванием и фильтрованием на скорых фильтрах. Насыщение обрабатываемой воды атмосферным кислородом достигается различными способами аэрации, интенсивность которых определяется формами и количеством растворенных в воде железа и марганца. При содержании железа 10-15 мг/л и рН не менее 6,3-6,4 надежное обезжелезивание достигается упрощенной аэрацией и фильтрованием через две ступени открытых фильтров [4]. Безреагентные технологии кондиционирования подземных вод (ионный обмен, сорбция и мембранное фильтрование) имеют сложное аппаратурное оформление и предъявляют жесткие требования к поддержанию технологических параметров в узком диапазоне оптимальных значений.
Реагентные технологии кондиционирования подземных вод, среди которых наибольшее применение нашли окислительные методы, более экономичны и просты в эксплуатации, сводятся к окислению растворенных форм двухвалентного железа реагентами и переводу их в нерастворимые формы трехвалентного железа, которые затем легко удаляются фильтрованием через слой зернистой загрузки. Реагентные методы применяются при больших концентрациях железа и присутствии его в трудноокисляемых формах, когда аэрационными методами не удается достичь требуемого эффекта. В качестве реагентов применяют эффективные окислители: хлор С12, ги-похлорит натрия NaCЮ, озон Оз, перманганат калия КМп04. Ввиду сложности создания систем транспортировки и хранения жидкого высокотоксичного хлора в качестве альтернативы в последние годы чаще используют обработку воды раствором гипохлорита натрия.
В соответствии с требованиями СП 31.13330.2021 [8] упрощенная аэрация применяется при определенных количественных показателях исходной воды: общее содержание железа (общего) до 10 мг/л (в том числе двухвалентного Fe2+ - не менее 70 %); значение рН - не менее 6,8; щелочность общая -более (1 +Fe2+/28) мг-экв/л; содержание сероводорода - не более 2 мг/л. Если хотя бы одно из этих условий не выдерживается, требуется предварительная аэрация воды с добавлением в нее эффективных реагентов-окислителей. Как правило, в реагентных методах обезжелезивания применяется и аэрация, так как при этом уменьшается расход реагентов для под-щелачивания и окисления. Поскольку при использовании реа-гентных методов очистки образуются взвешенные формы железа в больших концентрациях, при применении этих схем проектируют две ступени осветления воды. Для удаления железа при концентрации его в воде более 10 мг/л и увеличения значения рН более 6,8 осуществляется усиленная аэрация в специальных устройствах - вентиляторных или контактных градирнях.
Как правило, при очистке подземных вод необходимо одновременно решать две задачи - удаление из воды растворенных газов и насыщение ее кислородом, необходимым для окисления растворенных форм загрязнений. Наиболее распространенными и достаточно эффективными считаются дегазаторы барботажного типа (продувка воздухом), насадочные и вакуумные дегазаторы [9]. А. Е. Ивановым с соавторами [10] разработана усовершенствованная технологическая схема безреагентного обезжелезивания артезианской воды с участками окисления, осветления и напорной фильтрации. В качестве блока окисления использован эффективный барботаж-ный аппарат, в котором за счет развитой поверхности барбо-тажного слоя время контакта атмосферного воздуха и артезианской воды минимально.
Рядом отечественных авторов предприняты попытки интенсификации процесса фильтрования природных вод для достижения нормируемых показателей. Авторами статьи [11] предложена и испытана на очистных сооружениях г. Ульяновска усовершенствованная двухступенчатая технология обез-железивания и деманганации подземных вод с плавающей пе-нополистирольной загрузкой. На первой ступени очистки реализуются процессы аэрации-дегазации, контактного фильтрования и регулирования скорости фильтрования для фильтров второй ступени. П. А. Лапиным с соавторами [12] проведена оценка качества подземных вод по микробиологическим и са-нитарно-химическим показателям с использованием методики, основанной на фильтрации воды через мембранные фильтры с последующей идентификацией по биохимическим свойствам.
Многие исследователи указывают на необходимость применения комбинированных способов обезжелезивания природных вод для обеспечения высокой эффективности очистки. В работе [13] показано, что для подземных вод, содержащих помимо марганца железо, преимущественно в оксидных формах, наиболее приемлемыми являются физико-химические методы, сочетающие предварительную обработку исходной воды сильным окислителем (гипохлоритом натрия, озоном и др.) с последующей ее фильтрацией через химически активный материал. О. Д. Лукашевич с соавторами [14] предлагает технологию, позволяющую получить питьевую воду из природных вод с высоким содержанием железа и марганца путем комбинирования в единой системе модулей окисления, минерализации, коагулирования и фильтрования. Э. А. Кюберис и А. Л. Васильев в работе [15] представили результаты исследования комбинированной технологии удаления железа и марганца при исходных высоких концентрациях рассматриваемых ингредиентов с применением упрощенной аэрации, подщелачи-вания, окисления и фильтрования через зернистую каталитическую загрузку.
Все больший интерес исследователей вызывает биологический метод обезжелезивания воды. Предложенные авторами статьи [16] технологии предусматривают применение на первой ступени биореакторов со струйной вакуумной эжек-цией и последующее фильтрование воды через фильтры с плавающей загрузкой. О. Б. Говоровым в соавторстве с В. О. Говоровым [17] установлено, что применение технологии с биореакторами позволяет при содержании железа в исходной воде от 1,07 до 9,79 мг/л, марганца - от 0,14 до 0,45 мг/л, ионов аммония - от 0,67 до 1,44 мг/л, и при наличии сероводорода и углекислого газа на выходе из сооружений получить очищенную воду, соответствующую нормативным требованиям. В работе [18] показано, что после «зарядки» загрузки в биореакторе и фильтре наряду с удалением растворенных газов происходит обезжелезивание воды, при этом эффективность очистки на первой ступени составляет 88,9 %, после фильтра концентрация железа в очищенной воде не превышает 0,3 мг/л.
За рубежом известны и десятки лет эксплуатируются установки различных модификаций для обезжелезивания и деман-ганации подземных вод в водоносном пласте. Сущность методов состоит в подаче ~10 % от общего расхода воды, насыщенной кислородом воздуха, обратно в водоносный пласт через поглощающие скважины. В результате химических и биохимических процессов железо и марганец переходят в нерастворимую форму и выделяются в осадок. Схема реализована, в частности, на Тунгусском водозаборе в Хабаровске. Безреа-гентная технология очистки подземных вод в водоносном горизонте в сравнении с традиционной имеет ряд преимуществ: производительность сопоставима с мощностью станций, работающих по традиционной технологии; энергопотребление существенно ниже; отсутствует реагентное хозяйство [19].
Рядом исследователей продолжается активный поиск эффективных реагентов-окислителей для обезжелезивания воды. В работах [20, 21] приведены результаты экспериментальных исследований эффективности удаления растворенных форм железа и марганца из подземных вод посредством озонирования. В. М. Медведевой с соавторами [22] представлен состав оборудования для реализации озонофильтрацион-ной технологии и проведен анализ эффективности работы различных вариантов оформления технологической схемы.
А. В. Селюковым и И. С. Байковой [23] в результате пилотных испытаний на водозаборе г. Ханты-Мансийска предложен альтернативный метод окисления перманганатом калия и установлена его оптимальная доза, позволяющая снизить концентрации железа и марганца до нормативного уровня. А. В. Селюков с соавторами в статье [24] приводит результаты исследований по кондиционированию подземных вод Амурского водозабора г. Комсомольска-на-Амуре. При строительстве комплекса сооружений обезжелезивания-деманганации в пласте пробная эксплуатация первой очереди показала, что нормативное качество очищенной воды не достигается, в связи с чем предложена альтернативная технология - обработка реагентами, позволяющая очищать воду от железа и марганца, а также стабилизировать ее. Следует отметить, что к недостаткам реагентных методов относится необходимость использования специальных помещений для хранения и подготовки растворов химикатов, постоянного слежения за четким соблюдением регламентов, обеспечения стабильных поставок реактивов и т. д.
Материалы и методы. Теоретической и методической основой работы послужили результаты исследований отечественных авторов по проблеме создания оптимальных технологических схем обезжелезивания подземных вод с учетом их исходного состава, позволяющих достичь нормативного значения концентрации железа в очищенной воде, подаваемой потребителям. В работе использованы эксплуатационные данные, характеризующие показатели качества воды на водопроводных очистных сооружениях железнодорожной станции Тырма. При выполнении работы применены методы анализа документации Дальневосточной Дирекции по тепловодоснаб-жению и литературных источников, сравнения исходных и полученных данных, математической обработки полученной информации и др.
Целью исследования явилась разработка рекомендаций по усовершенствованию технологии подготовки воды из скважин для бытовых и производственных нужд водозаборного узла станции Тырма Вяземского территориального участка Дальневосточной дирекции по тепловодоснабжению.
Полученные результаты и их обсуждение. На первом этапе исследования проведено обоснование выбора предлагаемой технологической схемы обезжелезивания подземных вод с использованием системного подхода, разработанного отечественными учеными на основе классификации специальных методов обработки воды [6, 7, 25]. Разработанные классификаторы позволяют для воды конкретного качественного и количественного состава выбрать несколько альтернативных технологических схем очистки, как традиционных, так и усовершенствованных, чтобы затем перейти к решению задачи технико-экономического обоснования оптимальной технологии водоподготовки.
Следуя классификатору, приведенному в книге [7], по содержанию в исходной воде железа и марганца ее можно отнести к классу 3 и подклассу 3.1. Выбранному классу и подклассу соответствует технологическая схема: Т6 -
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м «
СО CS
0
CS
1Л
01
О Ш
m
X
<
m О X X
[БС]^[Ф]^[С]^-[Обз], то есть в данном случае можно провести биосорбцию, фильтрование, стабилизацию и обеззараживание воды. Условия применения схемы: Fe < 15 мг/л; Mn <1,0 мг/л; СО2св < 200 мг/л; рН > 6,0.
В работах В. В. Дзюбо с соавторами [6, 25] приведены базовые технологические схемы, апробированные в условиях Западной Сибири, нашедшие применение в реальных производственных условиях и рекомендуемые для очистки подземных вод. Ориентируясь на приведенные авторами данные, можно выбрать следующие варианты технологических схем. Схема В включает процессы: дегазация-аэрация - фильтрование - озонирование - фильтрование на гранулированном активированном угле (ГАУ) - обеззараживание (УФО). Наиболее подходящей для рассматриваемых в нашем случае условий представляется схема K: Аэрация - дегазация - обезжелези-вание - сорбция на ГАУ - ионный обмен на клиноптилолите в Na-форме - обеззараживание гипохлоритом натрия. Недостатком схемы является необходимость периодической регенерации ионообменных фильтров раствором поваренной соли и, как следствие, проблема утилизации или повторного использования регенерационного раствора.
Как показал анализ современных технологий обезжелези-вания подземных вод, реагентный метод очистки хорошо себя зарекомендовал благодаря высокой эффективности и широко распространен на Дальнем Востоке. Метод применяется при больших концентрациях железа и присутствии его в трудно-окисляемых формах, когда при опытном обезжелезивании аэрационными способами не удается достичь требуемого эффекта. После обработки воды различного исходного химического состава реагентами содержание железа становится меньше 0,1 мг/л. Кроме того, реагентный метод органично вписывается в рассматриваемую схему очистки природных вод железнодорожной станции. Для интенсификации работы исследуемых водопроводных очистных сооружений предлагается включение в существующую технологическую схему перед фильтром обезжелезивания блока реагентной очистки от растворенного железа.
Реагентную обработку воды целесообразно производить раствором гипохлорита натрия (NaCIO), который является сильным и быстрым окислителем. При расчете дозы реагента на обезжелезивание необходимо учитывать его расход на де-манганацию, удаление сероводорода и марганца в случае необходимости [7]. К преимуществам реагентного метода относятся: доступная цена, эффективность очистки, возможность точного расчета дозировки, гибкая настройка дозации (возможность выбрать насосы разной мощности и разного управления). Поскольку гипохлорит натрия является коррозийно-активным веществом, агрессивным к стали, меди и алюминию, необходима точная и своевременная его дозировка. Реагент следует дозировать в протекающую по трубе воду в непосредственной близости к осадочному фильтру с помощью специальных безнапорных перистальтических насосов-дозаторов.
С учетом исходного состава подземных вод на первом этапе предлагается реализовать наиболее простой и экономичный вариант технологической схемы обезжелезивания воды в котельной (рис. 1). Вода из скважины поступает на станцию аэрации, где происходит окисление железа кислородом. Затем через дозатор из емкости с рабочим раствором в систему поступает реагент (гипохлорит натрия). Далее очищаемая вода подается на фильтр обезжелезивания с гранодио-ритной загрузкой, где удаляется образующаяся взвесь после окисления гипохлоритом. После фильтра вода подается в ио-нобменный фильтр «Гейзер» для завершающей стадии очистки, затем она отводится в резервуар чистой воды.
Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схема станции обезжелезивания воды в котельной с дооснащением блоком реагентной очистки
1 - станция аэрации; 2 - емкость с рабочим раствором реагента; 3 - дозатор; 4 - фильтр обезжелезивания с загрузкой из гранодио-рита;
5 - ионообменный фильтр «Гейзер»; 6 - подача воды от скважины; 7 - отвод очищенной воды в резервуар
Одной из задач исследования явилось выполнение технологических расчетов основных параметров оборудования, входящего в состав технологической схемы. Расчет установки для обезжелезивания воды выполнен при заданной производительности 44,56 м3/ч, равной величине часового (пикового) расхода воды из скважины в период максимального водораз-бора. Максимальное содержание железа в исходной воде принято равным 13,44 мг/дм3, марганца - 0,32 мг/дм3. Нормативное количество гипохлорита натрия для очистки воды установлено в соответствии с требованиями СП 31.13330.2021 [8] и рекомендациями, приведенным в справочнике [26].
Для интенсификации процесса обезжелезивания необходимо приготовить 1 %-й рабочий раствор NaCIO (10 г активного хлора на 1 л воды). Плотность концентрата гипохлорита натрия марки А составляет 190 г/л, соответственно, необходимо разбавить его с водой в соотношении 19:1. При выборе подходящей емкости установлено, на сколько дней хватит полезного объема выбранного рабочего раствора при условии дозации требуемого количества (419,75) г активного хлора для получения 44,56 м3 чистой воды. Рабочая обменная емкость фильтра выражена в мг-экв и определена умножением емкости 1 литра смолы на объем смолы в установке. Расход соли на одну регенерацию рассчитан путем умножения расхода соли на 1 литр смолы (120 г) на общий объем смолы в данной установке (25 л). Годовые затраты предприятия на покупку концентрата гипохлорита марки А составят 50,8 тыс. руб. Результаты расчета оборудования приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета оборудования, входящего в состав технологической схемы
Показатель Единицы измерения Числовое значение
Требуемое количество хлора т/ч 419,75
Потребление рабочего раствора №СЮ л/сутки (л/месяц) 49,2 (1525,2)
Потребление концентрата №СЮ марки А л/сутки (л/месяц) 3,2 (101)
Объем воды, обрабатываемый фильтром до регенерации л 1441,6
Интервал времени между регенерациями сутки 3
Выводы. В результате лабораторного анализа установлено, что исходная вода из рассматриваемого скважинного водозабора не соответствует нормативным требованиям. Интервал изменения концентраций железа в пробах, отобранных в
период с 2017 по 2021 гг., составляет 10,31-13,44 мг/дм3, что значительно превышает величину гигиенического и технологического нормативов (0,3 мг/дм3). Существующие водопроводные очистные сооружения не обеспечивают снижения содержания железа в очищенной воде до нормативных показателей, что свидетельствует о недостаточной эффективности применяемой технологической схемы обезжелезивания воды. Высокие исходные концентрации растворенного двухвалентного железа снижают эффективность ионообменных процессов, поэтому их проведению должна предшествовать дополнительная стадия обработки воды. Анализ современных методов обезжелезивания подземных вод показал, что наиболее экономичным и эффективным, простым в эксплуатации является реагентный метод с применением сильных окислителей, в т. ч. гипохлорита натрия. С помощью классификаторов специальных методов обработки воды определены варианты возможных технологических схем очистки воды, обеспечивающих достижение норматива. На первом этапе предлагается к реализации наиболее простой и экономичный вариант усовершенствованной технологической схемы обезжелезивания с введением этапа реагентной очистки воды. Внедрение предлагаемой технологической схемы позволит улучшить качество воды, являющейся важной составляющей в производстве, а Дальневосточную Дирекцию по теплоснабжению обезопасить от незапланированных расходов.
Литература
1. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021. № 2. - URL: https://docs.cntd.ru/document/573500115 (дата обращения: 27.04.2023).
2. РД 24.031.120-91. Методические указания. Нормы качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов, организация водно-химического режима и химического контроля. -URL: https://docs.cntd.ru/document/1200031800 (дата обращения: 27.04.2023).
3. Волосникова Г.А., Ибрагимова Э.В. Обоснование выбора технологической схемы очистки воды из скважин водозаборного узла железнодорожной станции / Философия современного природопользования в бассейне реки Амур : материалы VI междунар. науч.-практ. конф., (Хабаровск, 28 апр. - 4 мая 2017 г.) / [отв. ред. П. Б. Рябухин]. - Хабаровск: Изд-во Ти-хоокеан. гос. ун-та, 2017. - Вып. 6. - 162 с. C. 126-130.
4. Кулаков, В. В., Обезжелезивание и деманганация подземных вод: учеб. пособие. / В. В. Кулаков, Е. В. Сошников, Г. П. Чайковский - Хабаровск: Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения, 1998. - 82 с.
5. Новиков В. К., Михайлова Э. М. Методы очистки природных вод от соединений марганца, железа и других загрязняющих веществ: Обзорная информация. - М.: Институт экономики ЖКХ АКХ им. К. Д. Памфилова, 1990. - 52 с.
6. Дзюбо В. В. Особенности состава подземных вод Сибирского региона и технологии их подготовки для питьевого водоснабжения // Экология и промышленность России. 2014. № 9. С. 14-19.
7. Журба, М. Г. Водоснабжение. Том 2. Улучшение качества воды: Учебник для вузов / М. Г. Журба, Ж. М. Говорова. -М.: Изд-во АСВ, 2008. - 544 с.
8. СП 31.13330.2021 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.02-84*. - М.: Изд-во стандартов, 2021. - 161 с.
9. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. К вопросу о выборе способа дегазации при обезжелезивании подземных вод // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2016/4. С. 18-23.
10. Иванов, А. Е. Оптимизация процесса обезжелезивания артезианских вод / А. Е. Иванов, О. А. Волкова, М. И. Клюшен-кова, М. Г. Беренгартен // Вода: химия и экология. - 2011. - № 4(34). С. 25-31.
11. Журба М. Г., Савельев С. П., Урусов Д. Ю., Габлия Ю. А., Дячук С. А., Лыков В. В., Парусов Д. В. Усовершенствование технологии обезжелезивания и деманганации подземных вод г. Ульяновска // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 2. С. 40-45.
12. Лапин П. А., Елисеев Д. В., Копылов С. А., Пашкова В. А. Состояние подземных источников и систем централизованного водоснабжения Орловской области и мероприятия в целях улучшения качества воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2023. № 2. С. 4-10.
13. Аскерния А. А., Корабельников Л. В. Моисеев А. В. Ге-раськов С. С. Павлюченко Д.И., Бодягин А.О. Особенности выбора методов одноступенчатого обезжелезивания и деманга-нации подземных вод. // Водоснабжение и санитарная техника. 2015. № 1. С. 22-28.
14. Лукашевич, О. Д. Кондиционирование состава маломинерализованных железосодержащих подземных вод / О. Д. Лукашевич, Е. И. Патрушев, С. А. Филичев // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 2(61). С. 158-170.
15. Кюберис Э. А., Васильев А. Л. Разработка и исследование технологий водоподготовки из подземных источников с высоким содержанием железа и марганца // Приволжский научный журнал / Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - Нижний Новгород, 2019. - № 4. С. 150-157.
16. Говоров О. Б., Говорова Ж. М., Квартенко А. Н. Исследование и опыт внедрения инновационных технологий кондиционирования подземных вод // Водоснабжение и санитарная техника, 2014. № 9. С. 38-46.
17. Говоров О. Б., Говоров В. О. Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод (обоснование, исследование, внедрение) // Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2017. № 6. С. 27-31.
18. Говорова Ж. М., Говоров О. Б. Исследование и опыт внедрения технологии обезжелезивания и умягчения подземной воды в Московской области // Водоснабжение и санитарная техника, 2016. № 9. С. 6-15.
19. Кулаков В. В. Использование внутрипластовой очистки подземных вод от железа и марганца (на примере водоснабжения г. Хабаровск) // Вестник ДВО РАН. - 2013. № 2. С. 8489.
20. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Озонирование при обез-железивании - деманганации подземных вод в Сибирском регионе // Вода: химия и экология. - 2011. № 5. С. 25-32.
21. Дзюбо, В. В. О некоторых особенностях озонирования подземных вод / В. В. Дзюбо, Л. И. Алферова, В. М. Васильев // Вода и экология: проблемы и решения. - 2018. - № 2(74). С. 10-16.
22. Медведева В. М., Пирогов Е. Н., Семеновых В. А. Инновационные технологии очистки воды // Наука и техника транспорта. 2015. № 1. С. 32-38.
23. Селюков А. В., Байкова И. С. Обезжелезивание - деманганация подземных вод водозабора "Северный" г. Ханты-Мансийска // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 2. С. 15-18.
24. Селюков А. В., Байкова И. С., Соловьева О. В. Кондиционирование подземных вод Амурского водозабора (г. Комсомольск-на-Амуре) // Водоснабжение и санитарная техника. -2013. № 7. С. 38-42.
25. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Технологии и технологические схемы подготовки подземных вод для целей питьевого
X X
о го А с.
X
го m
о
2 О
м
CJ
fO
es о es
1Л
водоснабжения // Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабже- 8 ние. 2008/4. С. 45-49. 9
26. Водоподготовка: Справочник. /Под ред. д.т.н., действительного члена Академии промышленной экологии С. Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007. - 240 с. 1а
Intensification of the work of the technological scheme for deferrization of water ц
from the wells of the water intake unit of the railway station Volosnikova G.A., Marshirov D.V.
Pacific Statе University
JEL classification: L61, L74, R53 12.
The results of the analysis of the composition of groundwater used for water supply to the boiler house of the railway station are presented. The technological process of water treatment and the requirements for the quality of make-up water for hot 13. water boilers have been studied. The iron content in the purified water does not meet the regulatory requirements, which indicates the insufficient efficiency of the applied technological treatment scheme. Modern methods and technologies of groundwater iron removal are analyzed. An engineering and environmental 14. substantiation of the choice of the proposed technological scheme of purification was carried out using a systematic approach developed by domestic authors based on the classification of special water treatment methods. For the modernization of water treatment facilities, it is proposed to include in the existing 15. technological scheme before the deironing filter a block of reagent purification from dissolved iron. A layout solution for a natural water treatment plant from an underground source is proposed. The calculation of the equipment included in the improved technological scheme is carried out. Bringing the water quality of 16. the water supply source in terms of iron content in accordance with regulatory requirements will improve the operation of the boiler room equipment and reduce its wear. The implementation of the proposed measures will allow the enterprise 17. to avoid the imposition of penalties by the supervisory state bodies. Keywords: groundwater, water intake unit, water treatment, treatment facilities,
maximum allowable concentration, iron removal, technological scheme, aeration, 18. filtration, ion exchange, reagents, cleaning efficiency. References
1. SanPiN 1.2.3685-21. Hygienic standards and requirements for ensuring the 19. safety and (or) harmlessness of environmental factors for humans. Decree of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation dated January 28, 2021,
No. 2. - URL: https://docs.cntd.ru/document/573500115 (accessed: April 27, 20. 2023).
2. RD 24.031.120-91. Methodical instructions. Standards for the quality of network
and make-up water for hot water boilers, organization of the water-chemical 21. regime and chemical control. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200031800 (date of access: 04/27/2023).
3. Volosnikova G.A., Ibragimova E.V. Substantiation of the choice of a technological 22. scheme for water purification from wells of a water intake unit of a railway station
/ Philosophy of modern environmental management in the Amur River basin: 23. materials of the VI Intern. scientific-practical. conf., (Khabarovsk, April 28 - May
4, 2017) / [responsible. ed. P. B. Ryabukhin]. - Khabarovsk: Pacific Publishing House. state un-ta, 2017. - Issue. 6. - 162 p. pp. 126-130. 24.
4. Kulakov, V.V., Iron removal and demanganation of groundwater: textbook. allowance. / V. V. Kulakov, E. V. Soshnikov, G. P. Tchaikovsky - Khabarovsk:
Far Eastern State. University of Communications, 1998. - 82 p. 25.
5. Novikov VK, Mikhailova EM Methods of purification of natural waters from compounds of manganese, iron and other pollutants: Review information. - M .: Institute of Housing and Public Utilities Economics AKH them. K. D. Pamfilova, 26. 1990. - 52 p.
6. Dzyubo VV Peculiarities of composition of underground waters of the Siberian region and technologies of their preparation for drinking water supply // Ecology and industry of Russia. 2014. No. 9. P. 14-19.
7. 7Zhurba, M. G. Water supply. Volume 2. Improving water quality: A textbook for universities / M. G. Zhurba, Zh. M. Govorova. - M .: Publishing house ASV, 2008. - 544 p.
SP 31.13330.2021 Water supply. External networks and structures. SNiP 2.04.02-84*. - M.: Publishing House of Standards, 2021. - 161 p. Dzyubo V. V., Alferova L. I. On the choice of the method of degassing during deferrization of groundwater // Vodoochistka. Water treatment. Water supply. 2016/4. pp. 18-23.
Ivanov, A. E., Volkova O. A., Klyushenkova M. I., Berengarten M. G. Optimization of artesian water iron removal process // Water: chemistry and ecology. - 2011. -No. 4 (34). pp. 25-31.
Zhurba M. G., Savelyev S. P., Urusov D. Yu., Gablia Yu. A., Dyachuk S. A., Lykov V. V., Parusov D. V. Improving the technology of iron removal and demanganization groundwater of Ulyanovsk // Water supply and sanitary engineering. 2013. No. 2. P. 40-45.
Lapin P. A., Eliseev D. V., Kopylov S. A., Pashkova V. A. Status of underground sources and systems of centralized water supply in the Oryol region and measures to improve water quality. and sanitary equipment. 2023. No. 2. P. 410.
Askernia A. A., Korabelnikov L. V. Moiseev A. V. Geraskov S. S. Pavlyuchenko D. I., Bodyagin A. O. Features of the choice of methods for single-stage iron removal and demanganization of groundwater. // Water supply and sanitary engineering. 2015. No. 1. S. 22-28.
Lukashevich, O. D., Patrushev, E. I., Filichev, S. A. Conditioning of the composition of low-mineralized iron-containing underground waters // Bulletin of the Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2017. No. 2(61). pp. 158-170.
Kyuberis E. A., Vasiliev A. L. Development and research of technologies for water treatment from underground sources with a high content of iron and manganese // Privolzhsky scientific journal / Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering. - Nizhny Novgorod, 2019. - No. 4. P. 150-157. Govorov O. B., Govorova Zh. M., Kvartenko A. N. Research and experience of introducing innovative technologies for groundwater conditioning // Water supply and sanitary engineering, 2014. No. 9. P. 38-46.
Govorov O. B., Govorov V. O. Reagent-free technology of iron removal and demanganization of groundwater (substantiation, research, implementation) // Sanitary engineering, heating, air conditioning. - 2017. No. 6. S. 27-31. Govorova Zh. M., Govorov O. B. Research and experience of introducing the technology of iron removal and softening of underground water in the Moscow region // Water supply and sanitary engineering, 2016. No. 9. P. 6-15. Kulakov V. V. Use of in-situ groundwater treatment from iron and manganese (on the example of Khabarovsk water supply) // Bulletin of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences. - 2013. No. 2. P. 84-89. Dzyubo V. V., Alferova L. I. Ozonation during iron removal - demanganation of groundwater in the Siberian region // Water: chemistry and ecology. - 2011. No. 5. S. 25-32.
Dzyubo, V. V. On some features of groundwater ozonation / V. V. Dzyubo, L. I. Alferova, V. M. Vasiliev // Water and ecology: problems and solutions. - 2018. -No. 2 (74). pp. 10-16.
Medvedeva V. M., Pirogov E. N., Semenovykh V. A. Innovative technologies for water purification // Science and technology of transport. 2015. No. 1. P. 32-38. Selyukov A. V., Baikova I. S. Deferrization - demanganization of groundwater at the Severny water intake in Khanty-Mansiysk // Water supply and sanitary engineering. 2012. No. 2. P. 15-18.
Selyukov A. V., Baikova I. S., Solovieva O. V. Conditioning of underground waters of the Amur water intake (Komsomolsk-on-Amur) // Water supply and sanitary engineering. - 2013. No. 7. P. 38-42.
Dzyubo V. V., Alferova L. I. Technologies and technological schemes for the preparation of groundwater for the purposes of drinking water supply // Water purification, Water treatment, Water supply. 2008/4. pp. 45-49. Water treatment: Handbook. / Ed. Doctor of Technical Sciences, full member of the Academy of Industrial Ecology S. E. Belikov. M.: Aqua-Therm, 2007. - 240 p.
О Ш
m x
<
m о x
X
